本发明专利技术描述一种用于微机电MEMS惯性传感器的高性能接口电路。根据一个方面，使用激励信号(用于检测电容变化)来控制致动信号位流的值以允许使致动及检测路径两者的动态范围最大化且防止由于与所述激励信号混合而使所述致动位流的高频分量折叠。在另一方面中，可通过在致动信号转变期间执行检测电路及MEMS检测电极中的至少一者且优选地两者的停用/复位来克服致动信号与检测信号之间的耦合效应。在又一方面中，为使经解调信号具有低DC分量，施加感测及驱动位流的相位调整。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
微机电(MEMS)惯性传感器的众多应用需要高性能ASIC接口。现有的接口技术并非在各种方面都完全令人满意。举例来说，在其中存在驱动环路的反馈(例如，力反馈)系统中，需要激励信号来检测感测环路及驱动环路两者中的电容变化。所述激励信号应不影响(举例来说)施加到MEMS传感器的检测质量块(或若干检测质量块)的致动。然而，由于激励信号是施加到检测质量块且由于致动电容器与检测电容器共享相同检测质量块，因此激励信号会影响致动信号内容及动态范围。另一问题与可在一个通道的致动流与相同通道的检测路径或甚至不同通道之间发生的不合意耦合(例如，感测模式到感测模式耦合或感测模式到驱动模式耦合等)相关。此耦合可使信号失真且导致检测前端电路的性能的严重降级。在感测模式中此效应会增大，因为寄生电容与工艺不匹配的组合效应约为检测电容变化。已提出用以解决此耦合问题的数个解决方案。一些解决方案取决于致动与检测之间的频率分离(此仅在不同通道之间的耦合的情况中有效)；其它解决方案取决于估计耦合传递函数并在稍后的阶段中(在数字域信号处理中或以增加的复杂性为代价而在模拟域中)补偿此效应。其它提议已包含了降低致动信号电平(以减小的致动动态范围为代价)或用以补偿不匹配的人工修整。在其中存在驱动环路的反馈(例如，力反馈)系统中，感测信号可含有以驱动信号的频率进行AM调制的所要传感器输入信号。因此，为解调位流以取得原始信号，使用倍增器来对驱动信号及感测信号进行倍增以获得经解调输出信号。为使经解调信号具有最低可能DC分量，可需要SNS与DRV位流之间的准确相位调整。用以实现此相位调整的各种方法通常必然伴有功率及/或面积代价。因此，期望一种用于与MEMS惯性传感器介接的经改进接口。
技术实现思路
本专利专利技术描述一种用以与MEMS惯性传感器(例如振动MEMS陀螺仪及加速计)介接(包含在闭环配置中)的ASIC或其它电路。闭环配置在恶劣环境中提供最佳的性能。描述用以改进传感器接口性能的技术，包含允许扩展MEMS致动及检测信号的动态范围、消除MEMS模块中的电极之间的耦合并实现感测与驱动环路之间的精细相位调谐以实现经改进解调的技术。附图说明结合附图，根据以下详细描述，可进一步理解本专利技术。图式中:图1是其中可使用本专利技术接口技术的电路(例如，ASIC)的架构框图。图2A是图1的ASIC的驱动环路的图示。图2B是图1的ASIC的感测环路的图示。图3是MEMS电模型连同感测环路及驱动环路的检测电路的图示。图4是样本致动频谱的信号曲线图，其展示高频分量。图5是图解说明致动及检测波形以及随之发生的有效致动力的波形图。图6是MEMS电模型的图示，其图解说明其中激励信号控制致动信号的形状的经修改致动技术。图7是图解说明根据图6的实施例的经修改致动及检测波形以及随之发生的有效致动力的波形图。图8是如同图7的波形图的波形图，其展示根据RZ (归零)选项的波形。图9是图解说明从致动路径到检测路径的非预期耦合的图示。图10是展示致动及激励信号连同添加的复位信号RST的波形图。图11是展示施加到检测电路C/V SNS及C/V DRV且施加到MEMS电极的复位信号RST的图示。图12是图解说明图7的经修改致动及检测波形组合图10的复位信号使用的波形图。图13是如同图12的波形图的波形图，其展示根据RZ (归零)选项的波形。图14是图1的电路的解调部分的框图。图15是展示图14的滤波器的量值及相位响应的曲线图。图16是针对图15的带通滤波器中的偏移一者的随滤波器中心频率而变的相移的曲线图。具体实施例方式图1中展示示范性ASIC的系统架构。在功能上，可将此系统划分成若干主要块，如下:1-MEMS 传感器接 口电路(110、120、130):电路的此部分分别通过感测致动(SNS ACT)开关121及驱动致动(DRV ACT)开关111提供用于MEMS传感器的感测及驱动电极的致动电压。此外，块130 (PM EXC)提供驱动及感测环路两者中的电容感测电路所需的检测质量块激励电压。最终，感测电容/电压转换器123 (C/V SNS)及驱动电容/电压转换器113 (C/V DRV)执行对应环路中的电容/电压感测。2-MEMS传感器驱动(DRV)环路110:参考图2A，驱动环路110并入有实现MEMS传感器的驱动共振器119(包含机械元件，例如，悬挂质量块)的振荡条件所需的相移115A(DRV相位)以及用以控制机械元件的振荡振幅的自动增益控制115B (AGC)。在所图解说明的实施例中，ADC 117(举例来说，其可实施为带通Σ Δ调制器)将来自电路113的驱动环路C/V输出转换成MEMS传感器驱动振荡信号的单位读数。3-MEMS传感器感测(SNS)环路120:参考图2B，在所图解说明的实施例中，MEMS传感器包含感测共振器129(包含机械元件，例如，悬挂质量块)。待感测的输入信号(举例来说，运动)及感测致动开关121的反馈信号输出作用于感测共振器129上。如下文更充分地描述，在所图解说明的实施例中，向驱动共振器119及感测共振器129两者施加由块130 (图1)输出的激励信号EXC。感测环路120执行感测共振器129的机械元件的反馈(例如，力反馈)运动控制并提供数字输出读数。此通过针对感测模式使用机电Σ Λ调制器120’来实施闭环反馈(例如，力反馈)而实现。ASIC还可经配置以在开环模式中操作。在此情况中，断开感测环路(开关129，图1)且更改电子滤波器Hx(Z)系数，使得电子滤波器125作为Σ AADC而操作。4-数字处理核心(140，图1):数字处理核心140对驱动及感测环路(110、120)两者的Σ Δ调制器的输出进行十中抽一取样及滤波(141)，并执行最终感测信号解调操作(143)。另外，数字处理核心140执行MEMS传感器读数的温度补偿(145)并控制SPI接口 150。在一个方面中，数字处理核心140用作静电致动控制器。另外，数字处理核心140可输出用于减少致动信号的不合意耦合的复位信号、停用信号或断电信号，如下文所描述。5-功率管理(160，图1):此块向不同的电路块提供所有所需的偏置电流及供应电压。此外，其产生所需的高压致动参考信号。在所图解说明的实施例中，产生并缓冲(163、165)带隙参考电压Vref (161)以用于ADC (117、125)且用于MEMS传感器激励及致动(111、121、130)。功率管理块160还负责产生ROM 170的操作必需的电压。在所图解说明的实施例中，电荷泵180用于此目的。6-温度感测系统(185，图1):此块感测裸片温度并将其转换成数字读数。7-计时 PLL (190，图1)所述PLL产生系统的主时钟。ASIC 自计时在一个实施例中，使用ASIC自计时技术。此技术简化ASIC与不同MEMS传感器模块的介接。反馈(例如，力反馈)操作减小系统对MEMS传感器工艺变化的敏感性、增加带宽且允许在匹配模式中操作。因此，闭环配置可在恶劣环境中实现最佳的性能。并入MEMS传感器作为反馈(例如，力反馈)环路滤波器的一部分将系统转换成具有由机械滤波器表示的连续时间(CT)部分及由电子滤波器表示的离散时间(DT)部分的混合式机电Σ Δ调制器。机械本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于与MEMS传感器介接的集成电路，其包括：静电致动控制器，其经配置以产生致动信号及激励信号且接收感测信息信号；及感测电容/电压转换器，其响应于来自所述MEMS传感器的信号而用于产生感测信号；其中所述静电致动控制器经配置以对所述激励信号及另一信号应用逻辑运算以获得所述致动信号。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.14 US 61/382,8981.一种用于与MEMS传感器介接的集成电路，其包括: 静电致动控制器，其经配置以产生致动信号及激励信号且接收感测信息信号；及感测电容/电压转换器，其响应于来自所述MEMS传感器的信号而用于产生感测信号；其中所述静电致动控制器经配置以对所述激励信号及另一信号应用逻辑运算以获得所述致动信号。2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括: 驱动电容/电压转换器，其响应于来自所述MEMS传感器的信号而用于产生驱动信号；及 解调器，其耦合到所述驱动信 号及所述感测信号以用于解调由所述感测信号携载的感测信息以产生所述感测信息信号。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述逻辑运算为“异或”及“异或非”运算中的一者。4.根据权利要求3所述的设备，其包括用于对所述致动信号应用归零编码的构件。5.一种与包括悬挂质量块的MEMS传感器介接的方法，所述方法包括: 产生待施加到所述MEMS传感器以用于检测由所述质量块的运动导致的电容变化的激励信号 '及 对所述激励信号及另一信号应用逻辑运算以获得用于致使对所述质量块施加影响的致动信号。6.根据权利要求5所述的方法，其包括向所述MEMS传感器施加所述致动信号。7.根据权利要求5所述的方...
【专利技术属性】
技术研发人员：艾曼·埃尔萨伊德，艾哈迈德·埃尔马拉哈，艾哈迈德·叶利舍纳威，艾哈迈德·沙班，布特罗斯·乔治，穆斯塔法·埃尔马拉，艾曼·伊斯梅尔，穆斯塔法·萨克尔，艾哈迈德·穆赫塔尔，
申请(专利权)人：硅制品系统有限公司，
类型：发明
国别省市：埃及;EG
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